Sunday, 3 May 2009

Ψάχνοντας για τα ίχνη της ζωής πάνω στη Γη

Επιστήμονες, που η προέλευση της ζωής πάνω στον πλανήτη μας έχει γίνει σκοπός της έρευνας τους, μετά από δεκαετίες ερευνών λένε ότι παραμένει ακόμα αβέβαιο πώς ξεπήδησαν για πρώτη φορά τα θεμελιώδη συστατικά της ζωής - τα μόρια που αποτέλεσαν τα γονίδια και τις πρωτεΐνες.

Όμως το "ιερό δισκοπότηρο" της βιολογίας και της χημείας είναι ασφαλώς η αναπαράσταση στο εργαστήριο των φυσικοχημικών συνθηκών της πρωταρχικής "σούπας" από όπου ξεπήδησε η ζωή. Οι επιστημονικές προσπάθειές δεν έχουν στεφθεί ακόμα με επιτυχία - αν είχαν, τότε θα είχαν δημιουργήσει ζωή από το μηδέν.

Πριν από 3 δισεκατομμύρια χρόνια το γήινο περιβάλλον έμοιαζε με αυτό του σημερινού Άρη, εκτός του ότι υπήρχαν λίμνες νερού. Ήταν ένα άγονο, βραχώδες και δυσοίωνο τοπίο: με γυμνό μάτι ήταν κυριολεκτικά νεκρό. Αλλά μπορούσαμε να κοιτάξουμε με το μικροσκόπιο μια λιμνούλα με λάσπη θα μπορούσαμε να δούμε ένα πληθυσμό από μικρές, κοίλες σφαίρες διαμέτρου λίγων χιλιοστών του χιλιοστού.

Οι επιστήμονες 'μαγειρεύουν' μια πρωτόγονη σούπα μέσα στο εργαστήριο με σκοπό να ανακαλύψουν πως ξεκίνησε η ζωή πάνω στη Γη.

Κάθε τόσο, αυτές οι σφαίρες χωρίζονταν στα δύο, μεγάλωναν και πάλι χωρίζονταν. Αυτά τα "πρωτοκύτταρα" θα μπορούσαν να ήταν οι πρώτες ενεργές μορφές ζωής στη Γη. Και τώρα οι επιστήμονες θέλουν να προσπαθήσουν στο εργαστήριο τους, να δημιουργήσουμε αυτό που θα μπορούσε να είναι ο πανάρχαιος πρόγονος των σύγχρονων βιολογικών κυττάρων.

Ο Daniel Frankel, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Νιούκαστλ, είναι ένας από αυτούς τους επιστήμονες. "Θέλουμε να δημιουργήσουμε ζωή σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα, από το μηδέν", λέει. "Με αυτόν τον τρόπο θα έχουμε μια καλύτερη κατανόηση του τρόπου που η ζωή θα μπορούσε να έχει αρχίσει στη Γη".

Εκτός από το γεγονός ότι μέχρι σήμερα παραμένει αδιευκρίνιστο πώς προέκυψαν οι θεμελιώδεις δομικές μονάδες της ζωής - τα μόρια που αποτελούν τα γονίδια και τις πρωτεΐνες - για πρώτη φορά, δεν ξέρουμε πως αυτές αυτο-συναρμολογήθηκαν σε πολύπλοκες βιοχημικές οντότητες, πως αναπτύσσονταν, πως πολλαπλασιάζονταν και εξελίσσονταν: με άλλα λόγια, πως έγιναν ζωντανά κύτταρα.

Όμως αρχίζουν να αναδύονται μικρά κομμάτια του παζλ. Οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει ότι ένας μετεωρίτης ηλικίας 3.6 δισεκατομμυρίων ετών που έπεσε στην Αυστραλία, σχεδόν, πριν 40 χρόνια, περιέχει δύο μόρια που αποτελούν βασικά συστατικά για τα γονίδια. Το γεγονός αυτό υποστηρίζει την άποψη ότι τα μόρια της ζωής θα μπορούσαν να έχουν πέσει πάνω στην αρχέγονη Γη από το διάστημα . Άλλα πειράματα δείχνουν ότι απλά μόρια που ήταν ήδη στη Γη, όπως η αμμωνία και το μεθάνιο, θα μπορούσαν να είχαν αντιδράσει μαζί για να δημιουργήσουν απλά βιομόρια. Αλλά αυτό που ενδιαφέρει περισσότερο τον Frankel είναι το επόμενο βήμα στην πορεία προς την ζωή: πώς αυτά τα μόρια αυτο-συναρμολογήθηκαν αυθόρμητα στις περίπλοκες βιοχημικές οντότητες, ικανές να ξεκινήσουν τη ζωή;

"Υπάρχει μια ευρύτατα αποδεκτή άποψη ότι η ζωή ξεκινάει από άψυχη ύλη - κατά βάση, από μόρια που επιπλέουν γύρω από ένα είδος σούπας, και ότι κατά κάποιον τρόπο η ζωή ξεπήδησε από αυτά τα μόρια", εξηγεί ο Frankel. "Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να είναι δυνατόν να συνθέσουμε ζωή στο εργαστήριο. Αν μπορούμε να το καταφέρουμε, θα μπορούσαμε να ξέρουμε πραγματικά την προέλευση της ζωής."

Ένα βασικό βήμα γι' αυτό θα ήταν η τεχνητή δημιουργία ενός πρωτο-κυττάρου, του πρωτόγονου προγόνου του σημερινού κυττάρου. Ένα πρωτο-κύτταρο, στην απλούστερη μορφή του, ήταν μια μεμβράνη, η οποία περιείχε ένα είδος γενετικού κώδικα, που μπορεί να μεταβιβασθεί στις επόμενες γενιές. Το μοντέρνο κύτταρο είναι μια πολύ πιο πολύπλοκη οντότητα, που περιέχει χιλιάδες διαφορετικά είδη μορίων με μια τεράστια ποικιλία λειτουργιών, τις οποίες εκτελούν πολύπλοκα μόρια, οι πρωτεΐνες και τα ένζυμα. Το αρχικό κύτταρο δεν θα είχε ακόμα αναπτύξει καμία από τις σημερινές πρωτεΐνες, όμως αποτελεί μυστήριο το πώς απέκτησε την πρώτη δομή του, η απλοϊκότητα της οποίας δεν αναιρεί καθόλου το μεγαλείο της.

Όπως αναφέρει ο Jack Szostak, κορυφαίους ερευνητής των πρωτοκυττάρων, και καθηγητής του Ιατρικού Ινστιτούτου Ηoward Hughes στο Μέριλαντ, "ένα μεγάλο μέρος της πρόσφατης επιστημονικής εργασίας είναι να ανακαλύψουμε ποια είναι εκείνα τα απλούστερα συστατικά που μπορούν να αυτο-συναρμολογηθούν σε μεμβράνες". Οι μεμβράνες των σημερινών κυττάρων είναι εξελιγμένες και σχεδόν αδιαπέραστες δομές, που δεν αφήνουν άλλα μόρια να τις διαπεράσουν. Τα πρωτο-κύτταρα αποκλείεται να είχαν τέτοιες δομές. Μια πιθανότητα είναι οι πρωταρχικές μεμβράνες, που προστάτευσαν την ανάπτυξη και αυτο-οργάνωση της ζωής, να δημιουργήθηκαν από λιπαρά οξέα που ήσαν παρόντα στην αρχαία Γη. Όπως έχει αποδειχθεί πλέον εργαστηριακά, τα λιπαρά οξέα μπορούν μόνα τους, υπό ορισμένες συνθήκες, να συγκολληθούν και να δημιουργήσουν κυψελίδες, μικρές σφαίρες σαν φυσαλίδες, οι οποίες, απορροφώντας υλικά από το περιβάλλον, σταδιακά μεγαλώνουν.

Μέχρι εδώ καλά, αφού η ύλη μόνη της μπορεί να κάνει αυτά τα βήματα χωρίς άλλη βοήθεια. Μετά όμως; "Εργαζόμαστε για να βρούμε τρόπους που θα επιτρέψουν σε αυτά τα σφαιρίδια να διαιρεθούν με φυσικό τρόπο και έχουμε την πίστη ότι αυτό το πρόβλημα θα λυθεί", δήλωσε με αυτοπεποίθηση ο Szostak.

"Αυτό που χρειαζόμαστε λοιπόν είναι να έχουμε κάποιο γενετικό υλικό στο εσωτερικό αυτών των δομών που να προσφέρει μια χρήσιμη λειτουργία για το κύτταρο - και αυτό το υλικό πρέπει να διαβιβάζεται στο θυγατρικό κύτταρο", συνεχίζει.

Ένα πρωτοκύτταρο σχηματίζεται από λιπαρά οξέα

Ο Szostak είναι ένας από τους κορυφαίους υποστηρικτής της ιδέας ότι τα αρχαία πρωτοκύτταρα αυτό το υλικό θα μπορούσαν να ήταν το RNA, ένα μόριο με μακριά αλυσίδα που να αποτελείται από μικρότερους συνδέσμους, τις νουκλεοβάσεις. Το RNA μπορεί να δράσει ως ένα τμήμα του βιολογικού κώδικα, το οποίο μπορεί να "διαβαστεί" από άλλα μόρια, όπως τα αμινοξέα, που είναι τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών.

Αλλά, κυρίως, τα μόρια του RNA μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως μια βιολογική μηχανή από μόνα τους: μπορεί να βοηθήσουν και στη δική τους αναπαραγωγή, για παράδειγμα, όπως δρουν πάνω και σε άλλα μόρια.

Σε μια ρηξικέλευθη δημοσίευση στο Nature αρχές του έτους, ο Szostak έδειξε ότι μπορούν οι νουκλεοβάσεις (του RNA) να διαπεράσουν μέσα από μια μεμβράνη από λιπαρά οξέα διαχεόμενες στον εσωτερικό χώρο, που περικλείεται από μια φυσαλίδα. Τοποθετώντας ένα κατάλληλο μοριακό πρότυπο εσωτερικά στο πρωτοκύτταρο, ο Szostak έδειξε ότι οι νουκλεοβάσεις θα μπορούσαν να ενωθούν μαζί, ή να πολυμεριστούν, να δημιουργήσουν έτσι κάτι που να μοιάζει με ένα γονίδιο.

"Μόλις μπορέσετε να έχετε ένα γενετικό πολυμερές που είναι δυνατό να αυτο-αναπαραχθεί, τότε έχετε όλα τα στοιχεία για την δαρβίνεια εξέλιξη", υποστηρίζει ο Szostak. Για παράδειγμα, ένα μικρό τμήμα του RNA θα μπορούσε να δράσει σαν καταλύτης για να ενώσει μεταξύ τους μερικά αμινοξέα και έτσι να δημιουργηθεί μια μικρή πρωτεΐνη. Αυτή η απλή πρωτεΐνη στη συνέχεια προσκολλάται στη μεμβράνη των λιπαρών οξέων και επιτρέπει σε άλλα χημικά στοιχεία (π.χ. άλατα) να εισέλθουν ευκολότερα στο πρωτο-κύτταρο, πράγμα που με τη σειρά του κάνει το εσωτερικό περιβάλλον του κυττάρου πιο ευνοϊκό στο RNA για την αναπαραγωγή του. Τελικά, μετά από αυτή τη διαδοχή των υποθετικών γεγονότων, το πρωτο-κύτταρο αποκτά περισσότερες ικανότητες για να μεγαλώσει και να αναπτυχθεί. Πόσο πιθανή είναι τελικά αυτή η χημεία που μετατρέπεται σε βιοχημεία και στο θαύμα της ζωής;

Ο Daniel Frankel, στο Νιούκαστλ, υποστηρίζει ότι οι επιφάνειες των ορυκτών στην πρωταρχική επιφάνεια της Γης έπαιξαν το δικό τους καθοριστικό ρόλο. Ο ίδιος έχει αποδείξει ότι μερικά μικρά βιολογικά κρίσιμα μόρια, όπως τα αμινοξέα και οι νουκλεοβάσεις, όταν "κάθονται" πάνω σε μια κρυσταλλική επιφάνεια, υιοθετούν τη γεωμετρία των κρυστάλλων. Με τον τρόπο αυτό, "αυθόρμητα" τα μόρια αυτά "αυτο-οργανώνονται" και σχηματίζουν αλυσίδες, που είναι ακριβώς ό,τι χρειάζεται για τη γέννηση της ζωής.

"Θα ήθελα να ελπίζω ότι μέσα σε 10 χρόνια, θα λύσουμε τα διάφορα τεχνικά ζητήματα και θα παρακολουθούμε την ανάπτυξη των πρωτοκυττάρων, την διαίρεση, και την εξέλιξη τους στο εργαστήριο", υποστηρίζει ο Szostak.

"Ελπίζουμε ότι μέχρι τότε θα κατανοούμε καλύτερα τον τρόπο που μπορεί να ξεκίνησε η ζωή στη Γη", συνεχίζει ο ίδιος.

Τα συστατικά της ζωής ήρθαν από το απώτερο διάστημα;

* Για να υπάρχει ζωή, ένα βασικό συστατικό που χρειάζεται πάνω απ όλα είναι το νερό. Στο δικό μας ηλιακό σύστημα, υπάρχει μια σχετικά περιορισμένη "κατοικήσιμη ζώνη", όπου βρίσκεται ή υπήρχε κάποτε υγρό νερό. Αυτό ουσιαστικά σημαίνει ότι μόνο ο Άρης και η Γη είναι υποψήφιοι πλανήτες για τη διατήρηση της ζωής.

* Παρά το γεγονός ότι έχει νερό, η γεωχημεία της ίδιας της Γης είναι σχετικά φτωχή από πλευράς των χημικών στοιχείων που απαιτούνται για τα μόρια της ζωής - ο άνθρακας, το άζωτο, το υδρογόνο, το οξυγόνο και το θείο. Μήπως θα μπορούσαν οι ενώσεις που περιέχουν τα στοιχεία αυτά να έχουν 'εισαχθεί' με τους μετεωρίτες;

"Τα μόρια της ζωής εκδηλώνονται στο διάστημα - αυτή είναι μια αδιαμφισβήτητη πραγματικότητα," λέει ο καθηγητής Mark Sephton, ένας ειδικός στους μετεωρίτες στο Imperial College του Λονδίνου. "Το πρώιμο ηλιακό σύστημα ήταν πυκνοκατοικημένο με οργανικά μόρια, και οι μετεωρίτες περιέχουν όλες τις μεγάλες ενώσεις της ζωής - αμινοξέα, σάκχαρα, νουκλεοβάσεις. Όλες οι κατηγορίες των μορίων που μπορούν να φτιάξουν γενετικό υλικό και μεμβράνες για κύτταρα είναι παρόντα."

Τα 7 θεμέλια της ζωής

Τι είναι η ζωή; Αν δεχθούμε ότι το θεμελιώδες χαρακτηριστικό της είναι η ικανότητα της αναπαραγωγής, τότε ένα μεμονωμένο κουνέλι είναι νεκρό και δύο κουνέλια, ένα αρσενικό κι ένα θηλυκό, είναι ζωντανά όταν είναι μαζί, αλλά νεκρά αν τα δει κανείς καθένα χωριστά. Μπορεί, λοιπόν, να ξέρουμε καλά τι είναι ζωή, ο ορισμός της ωστόσο δεν είναι απλός

1. Το πρώτο θεμέλιο της ζωής είναι γι' αυτόν το πρόγραμμα: ένα οργανωμένο γενικό σχέδιο, το οποίο περιγράφει τα συστατικά του ζώντος συστήματος και τις αλληλεπιδράσεις τους που διαιωνίζουν το σύστημα αυτό - στoν πλανήτη μας, το πρόγραμμα αυτό εκτελείται από το DΝΑ.

2. Ως δεύτερο θεμέλιο ορίζει τον αυτοσχεδιασμό: καθώς ένα ζων σύστημα είναι ένα μικρό τμήμα του σύμπαντος στο οποίο υφίσταται, δεν μπορεί να ελέγχει όλες τις αλλαγές του περιβάλλοντος, στις οποίες είναι εκτεθειμένο, άρα πρέπει να έχει ένα σύστημα για να μπορεί να τροποποιεί το πρόγραμμά του, ώστε να αντιμετωπίζει τις αλλαγές στο περιβάλλον του, χωρίς να επηρεάζεται το γενικό σχέδιό του.

3. Το τρίτο θεμέλιο είναι ο διαχωρισμός: όλοι οι ζώντες οργανισμοί έχουν περιορισμένο όγκο, περιβάλλονται από μια επιφάνεια η οποία αποκαλείται μεμβράνη ή δέρμα και συγκρατεί τα συστατικά στον καθορισμένο όγκο του οργανισμού, ενώ εμποδίζει να διεισδύσουν επιβλαβείς χημικές ουσίες.

4. Το τέταρτο θεμέλιο της ζωής είναι η ενέργεια: ο ζων οργανισμός πρέπει να είναι ένα σύστημα ανοιχτό που να δέχεται ενέργεια από εξωτερικές πηγές όπως ο Ήλιος, αλλά και ένα σύστημα που να μεταβολίζει, ικανό να μετατρέψει την ενέργεια σε «καύσιμο» για τον οργανισμό.

5. Πέμπτο θεμέλιο είναι η αναγέννηση: ένα σύστημα που μεταβολίζει διαρκώς, φθείρεται και πρέπει να έχει ένα σύστημα για να αντισταθμίζει τις απώλειές του. Η φθορά και η επιβράδυνση του συστήματος αναγέννησης με το πέρασμα του χρόνου είναι αυτό που αποκαλούμε γήρανση.

6. Το έκτο θεμέλιο είναι η προσαρμοστικότητα: για παράδειγμα, ένας άνθρωπος που βάζει το χέρι του στη φωτιά πονάει, αλλά πρέπει να το βγάλει αμέσως για να αποφύγει το έγκαυμα. Αυτή η συμπεριφορική αντίδραση στον πόνο είναι ουσιώδης για την επιβίωση - πρόκειται για μια θεμελιώδη αντίδραση των ζώντων συστημάτων που ονομάζεται ανάδραση.

7. Τέλος, το έβδομο και τελευταίο θεμέλιο της ζωής είναι η απομόνωση: τα ένζυμα σε ένα σύστημα που μεταβολίζει, έχει ζωτική σημασία να μην αντιδρούν παρά μόνο με τα μόρια που πρέπει να αντιδράσουν και να μην παρενοχλούνται από συγκρούσεις με διάφορα μόρια που προέρχονται από άλλες αντιδράσεις.
Physics4u

No comments: